JP2011117603A - Pressure balanced low-friction seal - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a system and method for achieving a seal which balances the pressure between elements having relative motion, including axial motion. <P>SOLUTION: This pressure balance seal 110 includes a sealing surface 116 facing an inward radial direction, and a stator interface having at least one surface interfacing with a stator. The pressure balance seal 110 further includes a friction reduction feature. The friction reduction feature includes a cavity on the sealing surface 116. The cavity is configured to receive a fluid such that a force acting on the pressure balance seal 110 is counterbalanced by a force generated by the pressure of the fluid. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、概してシールの分野に関し、より詳細には、軸方向運動を含む相対運動を行う要素間で圧力を平衡化するシールを実現するシステム及び方法に関する。   The present invention relates generally to the field of seals, and more particularly to a system and method for providing a seal that balances pressure between elements that perform relative motion, including axial motion.

ピストンリングは、ガスタービンエンジンにおいて、高圧区画から低圧区画への漏れを防ぐために、軸方向に移動するピストンと、静置チャンバとの間に幅広く利用されている。これと同じ圧力は、ピストンに対してリングを押しつけて、摩擦荷重を付与するように作用する。ガスタービン又は蒸気タービンの始動工程中には各種異なるレベルの圧力が存在し得るため、ピストンリングに作用する結果的な圧力は、広い範囲で変化し得る。圧力が上昇するにつれて、結果的に生じるピストンリングとピストンの間の摩擦が大きくなる。   Piston rings are widely used in gas turbine engines between an axially moving piston and a stationary chamber to prevent leakage from the high pressure compartment to the low pressure compartment. This same pressure acts to press the ring against the piston and apply a friction load. Since different levels of pressure can exist during the start-up process of a gas turbine or steam turbine, the resulting pressure acting on the piston ring can vary over a wide range. As the pressure increases, the resulting friction between the piston ring and the piston increases.

米国特許第６３６７８０６Ｂ１号明細書US Pat. No. 6,367,806 B1

従って、タービン内の相対軸方向運動を有する要素間の摩擦を低減する効果的な技法を開発することが求められている。   Accordingly, there is a need to develop effective techniques for reducing friction between elements having relative axial motion in a turbine.

本発明の実施形態によれば、圧力バランスシールが提供される。この圧力バランスシールは、径方向内側に面するシール面と、ステータと接合する少なくとも一つの表面を有するステータ境界面とを含む。また、圧力バランスシールは、摩擦低減機構を更に含む。摩擦低減機構は、シール面上の空隙を含む。この空隙は、流体を受け入れ、流体の圧力によって生成される力で、圧力バランスシールに作用する垂直抗力を平衡化するように構成される。   According to an embodiment of the present invention, a pressure balance seal is provided. The pressure balance seal includes a sealing surface facing radially inward and a stator interface having at least one surface joined to the stator. The pressure balance seal further includes a friction reducing mechanism. The friction reducing mechanism includes a gap on the sealing surface. This air gap is configured to receive fluid and balance the normal force acting on the pressure balance seal with the force generated by the pressure of the fluid.

一実施形態において、圧力バランスシールは蒸気タービンに組み込まれる。   In one embodiment, the pressure balance seal is incorporated into the steam turbine.

他の実施形態によれば、ステータと、ロータと、非接触端面シールアセンブリとを含む大型タービンの組み立て方法が提供される。このタービン組み立て方法は、少なくとも第１シール要素と第２シール要素を備える圧力バランスシールを設けることを含む。次に、少なくとも一方のシール要素は、ステータアセンブリ内の環状間隙の中に配置される。   According to another embodiment, a method for assembling a large turbine is provided that includes a stator, a rotor, and a non-contact end face seal assembly. The turbine assembly method includes providing a pressure balance seal comprising at least a first seal element and a second seal element. Next, at least one sealing element is placed in an annular gap in the stator assembly.

前述したもの、並びに他の本発明の特徴、態様、及び利点は、付属の図面を参照しながら下記の詳細な説明を読むことでより適切に理解されるであろう。図面において、同様の符号は、図面全体で同様の部品を表す。   The foregoing, as well as other features, aspects, and advantages of the present invention will become better understood when the following detailed description is read with reference to the accompanying drawings, in which: In the drawings, like numerals represent like parts throughout the drawings.

本発明の一態様を実施するシールアセンブリの部分斜視図、及びその一部の拡大図である。1 is a partial perspective view of a seal assembly implementing an aspect of the present invention and an enlarged view of a portion thereof. 図１のシールアセンブリの角状空洞内の圧力バランスシールを示す側面図である。FIG. 2 is a side view showing a pressure balance seal within the square cavity of the seal assembly of FIG. 1. 図１の圧力バランスシールの部分正面図である。It is a partial front view of the pressure balance seal | sticker of FIG. 本発明の他の態様を実施する圧力バランスシールを部分的に示す図である。FIG. 5 is a partial view of a pressure balance seal implementing another aspect of the present invention. 本発明の複数の態様に係る、圧力バランスシールの貫通穴構造を示した、圧力バランスシールの側面図である。It is the side view of a pressure balance seal which showed the penetration hole structure of the pressure balance seal concerning a plurality of modes of the present invention.

本明細書では、単数形式で表され、「一つの」という言葉の後に記載される要素又は機能は、特に排除することが明示的に記載されていない限り、その要素又は機能が複数存在することを排除しないものとして理解されたい。また、請求項に記載された本発明の「一実施形態」についての言及は、請求項に記載された機能が組み込まれる他の実施形態の存在を除外するものとして解釈されるべきではない。   In this specification, an element or function expressed in the singular form and described after the word “a” shall be present in plural unless specifically stated otherwise. Should be understood as not excluding. Furthermore, references to “one embodiment” of the present invention as set forth in the claims should not be construed as excluding the existence of other embodiments that incorporate the features set forth in the claims.

図１は、例えば蒸気タービンで利用できる、本発明の一態様を実施するシールアセンブリ１００の部分断面図である。図１に、ステータの第１ステータ要素１０２及び第２ステータ要素１０４、ステータ要素１０２とステータ要素１０４の間の環状間隙１０６、並びに少なくとも部分的に環状間隙１０６内に配置される二次圧力バランスシール１１０を示す。図示したステータ要素１０２，１０４は、軸方向１６０に沿ってピストン（図示せず）が移動するための円筒容積を画定する。径方向は、図１において参照番号１７０で示されている。圧力バランスシール１１０は、特定の実施形態ではピストンリング１１０であり、蒸気タービン内で、圧力が異なる少なくとも２つの蒸気（又は空気）空洞の間にシールを提供するように構成される。一実施形態によれば、蒸気タービン内の高圧領域は一般に、温度が華氏約１２００度で、圧力差が通常最大で１８００ｐｓｉであるが、場合によっては３０００ｐｓｉの高さになる空気若しくは蒸気、又はその両方を含む。当業者であれば、この温度及び圧力差は、タービン用途が異なれば変化することは理解されるであろう。ピストンリング１１０は、シール面１１６を有するシール境界面と、例えば、ステータ要素１０２，１０４を備えるステータと接合する複数の表面を有するステータ境界面とを含む。例えば、図１及び図２において、ステータ境界面は、シール面１１６のほぼ反対側にある背面１２４と、第１ステータ要素１０２と実質的に接合する第１表面１１４と、第２ステータ要素１０４と実質的に接合する第２表面１１８とを含む。ステータ境界面は、ステータ、すなわちステータ要素１０２，１０４と接合する、圧力バランスシール１１０の全ての表面を表す。ステータ（図にはその一部のみが示されている）は、一体型の１部品ステータで構成されても、又は２部品（図１及び図２に示すもの）を含んでも、又は２つより多くの部品を含んでも良い。ステータ要素１０２，１０４は単に、圧力バランスシール１１０が存在する環状間隙１０６を識別するために特徴的にマーキングされている。従って、一実施形態において、ステータ要素１０２，１０４は、単一部品のステータに属する。他の実施形態によれば、ステータ要素１０２，１０４は、多部品ステータのうちの異なる部品に属し、例えば、図１に示すように、第１ステータ要素１０２及び第２ステータ要素１０４は、２部品ロータの第１部品及び第２部品にそれぞれ所属する。   FIG. 1 is a partial cross-sectional view of a seal assembly 100 embodying an aspect of the present invention that may be utilized, for example, in a steam turbine. FIG. 1 illustrates the stator first and second stator elements 102 and 104, the annular gap 106 between the stator elements 102 and 104, and a secondary pressure balance seal disposed at least partially within the annular gap 106. 110 is shown. The illustrated stator elements 102, 104 define a cylindrical volume for movement of a piston (not shown) along the axial direction 160. The radial direction is indicated by reference numeral 170 in FIG. The pressure balance seal 110 is a piston ring 110 in a particular embodiment and is configured to provide a seal between at least two steam (or air) cavities at different pressures in a steam turbine. According to one embodiment, the high pressure region within the steam turbine is typically air or steam having a temperature of about 1200 degrees Fahrenheit and a pressure differential typically up to 1800 psi, but in some cases as high as 3000 psi, or Includes both. One skilled in the art will appreciate that this temperature and pressure differential will vary for different turbine applications. Piston ring 110 includes a seal interface having a seal surface 116 and a stator interface having a plurality of surfaces that interface with a stator comprising, for example, stator elements 102, 104. For example, in FIGS. 1 and 2, the stator interface includes a back surface 124 that is substantially opposite the sealing surface 116, a first surface 114 that is substantially joined to the first stator element 102, and a second stator element 104. A second surface 118 that substantially joins. The stator interface represents all surfaces of the pressure balance seal 110 that interface with the stator, ie, the stator elements 102, 104. The stator (only a part of which is shown in the figure) may be composed of an integral one-piece stator, may include two parts (shown in FIGS. 1 and 2), or two Many parts may be included. The stator elements 102, 104 are simply marked to identify the annular gap 106 where the pressure balance seal 110 is present. Thus, in one embodiment, the stator elements 102, 104 belong to a single piece stator. According to another embodiment, the stator elements 102, 104 belong to different parts of a multi-part stator, for example, as shown in FIG. 1, the first stator element 102 and the second stator element 104 are two parts. It belongs to the first part and the second part of the rotor, respectively.

また、図示例において、ピストンリング１１０、すなわち圧力バランスシール１１０は、ほぼ均等にそれぞれ第１半円シール要素１３０及び第２半円シール要素１４０に分割されて、半分割ピストンリングを提供する。半分割ピストンリング１１０は、第１シール要素１３０を含み、この第１シール要素１３０は、予め策定された重複部１１２によって第２シール要素１４０の上に延びる。予め策定された重複部１１２は、図１に示すように、例えば、ピストンリング１１０のシール面１１６に沿って密接して突き合わされる重複輪郭によって、２つのシール要素１３０と１４０の間の漏れを低減する。圧力バランスシール１１０のリングは、少なくとも一つの回転防止機構、例えば、リテーナスロット１０８を更に含む。一実施形態によれば、リテーナスロット１０８は、予め策定された重複部１１２内の背面１２４に沿った空間であり、ステータ（又はステータ要素１０２，１０４の一方）からの隆起部（図示せず）と噛み合って、環状空洞１０６内のピストンリング１１０の相対円形移動を阻止する。本明細書では、特に明記しない限り、シール要素１４０に関して説明する概念は、通例、圧力バランスシール１１０（シール要素１３０を含む）に適用され、その逆も同様であることは理解されよう。また、本明細書では、半分割圧力バランスシール１１０が例示されるが、本発明は、２つより多くのシール要素を有するシール、又は全円リングの外周に沿って、例えば、少なくとも１箇所で分割される全円リングシールも含み得ることも理解されよう。   Also, in the illustrated example, the piston ring 110, i.e., the pressure balance seal 110, is substantially equally divided into a first semicircular seal element 130 and a second semicircular seal element 140, respectively, to provide a semi-divided piston ring. The half-split piston ring 110 includes a first seal element 130 that extends above the second seal element 140 by a pre-defined overlap 112. The pre-determined overlap 112, as shown in FIG. 1, causes leakage between the two seal elements 130 and 140, for example, by an overlap profile that abuts closely along the seal surface 116 of the piston ring 110. To reduce. The ring of the pressure balance seal 110 further includes at least one anti-rotation mechanism, such as a retainer slot 108. According to one embodiment, the retainer slot 108 is a pre-defined space along the back surface 124 within the overlap 112 and a ridge (not shown) from the stator (or one of the stator elements 102, 104). To prevent a relative circular movement of the piston ring 110 in the annular cavity 106. It will be appreciated that unless otherwise stated herein, the concepts described with respect to seal element 140 typically apply to pressure balance seal 110 (including seal element 130) and vice versa. Also, although the present specification illustrates a half-split pressure balance seal 110, the present invention is not limited to a seal having more than two seal elements, or along the outer periphery of a full circular ring, for example at least at one location. It will also be appreciated that a full circle ring seal may also be included.

次に図２を参照すると、環状空洞１０６内に配置されたシール要素１４０の正面図が示されている。シール要素１４０は、第１表面１１４の端縁と背面１２４とで形成される外形輪郭、例えば、面取り部１２６を含む。動作上の利点の一つによれば、面取り部１２６は、シール要素１４０とステータ構成要素（例えば、第１ステータ要素１０２及び第２ステータ要素１０４を含む）との間の干渉又は絡み合いを防ぐ役割を担う。シール要素１４０は、第２表面１１８から垂直に延びる突出部１２８を更に含む。複数の実施形態に係る突出部１２８は、例えば図３に図示するように、シール要素１４０の長さ全体に亘って延びる。突出部１２８は、シール要素１４０が、環状空洞１０６から、例えば径方向内側に外れることを防ぐように作用できる。面取り部１２６及び突出部１２８は、圧力バランスシール１１０の捩れを防ぐ作用も有する。例えば、面取り部１２６（図２に、シール１１０の断面の左上部に位置する状態で図示）及び突出部１２８（図２に、シール１１０の断面の左下部から突出する状態で図示）は、図２に示される状態とは異なって位置するように構成されても良い。代替の実施形態において、面取り部１２６及び突出部１２８は、圧力バランスシール１１０の断面の底面左側に連続して構成される。有利な点として、面取り部１２６及び突出部１２８は、圧力バランスシール１１０（又はシール要素１４０）の断面の重心を調整して、結果的に生じる力が圧力バランスシール１１０上に作用する点から圧力バランスシール１１０の断面の重心までの距離が短くなるように配置できる。この距離の短縮は、環状間隙１０６内でシール要素１４０が捩れる可能性を低減する。   Referring now to FIG. 2, a front view of a sealing element 140 disposed within the annular cavity 106 is shown. The sealing element 140 includes an outer contour formed by the edge of the first surface 114 and the back surface 124, for example, a chamfer 126. According to one operational advantage, the chamfer 126 serves to prevent interference or entanglement between the sealing element 140 and the stator components (eg, including the first stator element 102 and the second stator element 104). Take on. Seal element 140 further includes a protrusion 128 extending perpendicularly from second surface 118. The protrusions 128 according to embodiments extend over the entire length of the sealing element 140, for example as illustrated in FIG. The protrusion 128 can act to prevent the sealing element 140 from detaching from the annular cavity 106, eg, radially inward. The chamfered portion 126 and the protruding portion 128 also have an effect of preventing the pressure balance seal 110 from being twisted. For example, the chamfered portion 126 (shown in FIG. 2 in a state of being located at the upper left portion of the cross section of the seal 110) and the protrusion 128 (shown in FIG. 2 in a state of protruding from the lower left portion of the cross section of the seal 110) It may be configured to be positioned differently from the state shown in FIG. In an alternative embodiment, the chamfer 126 and the protrusion 128 are configured continuously on the bottom left side of the cross section of the pressure balance seal 110. Advantageously, the chamfer 126 and the protrusion 128 adjust the center of gravity of the cross section of the pressure balance seal 110 (or seal element 140) so that the resulting force acts on the pressure balance seal 110. It can arrange | position so that the distance to the gravity center of the cross section of the balance seal | sticker 110 may become short. This shortening of the distance reduces the possibility of the seal element 140 being twisted within the annular gap 106.

図２に、圧力バランスシール要素１１０を取り巻く環状空洞１０６内に、例えば、タービン（例えば、蒸気タービン）の動作中に加圧されるタービン内の流体によってもたらされる圧力プロファイルの例を更に示して、背面１２４、面取り部１２６、及び突出部１２８を含むステータ境界面の表面に各種の力が作用する様子を表した。図２には、更に、環状空洞１０６内の流体圧力によってシール要素１４０のステータ境界面にもたらされる力１５０，１５２，１５４の例が示されている。ピストンリング１１０の最大厚さ及び対応する溝寸法は、小さい有限の隙間を提供するように選択される。これは、環状間隙１０６に対するピストンリング１１０の軸方向移動を規制すると共に、ピストンの軸方向運動と周期的圧力の複合効果のもとでのピストンリング１１０の断面の各種の捩れ又は歪みを規制する。ここで、例示した図は原寸に比例したものではなく、特定の側面又は特徴物は、説明を明瞭にするために誇張される場合があることを注記しておく。例えば、表面１１４と第１ステータ要素１０２の間の隙間距離、若しくは第２表面１１８（又は突出部１２８）と第２ステータ要素１１８の間の隙間距離、又はその両方は、図２を見易くするために拡大されている。   FIG. 2 further illustrates an example of a pressure profile produced by a fluid in a turbine that is pressurized during operation of a turbine (eg, a steam turbine), for example, within an annular cavity 106 surrounding the pressure balance seal element 110. The manner in which various forces act on the surface of the stator boundary surface including the back surface 124, the chamfered portion 126, and the protruding portion 128 is shown. FIG. 2 further illustrates examples of forces 150, 152, 154 that are exerted on the stator interface of the sealing element 140 by fluid pressure in the annular cavity 106. The maximum thickness of the piston ring 110 and the corresponding groove dimensions are selected to provide a small finite gap. This regulates the axial movement of the piston ring 110 relative to the annular gap 106 and regulates various twists or distortions in the cross-section of the piston ring 110 under the combined effects of piston axial movement and periodic pressure. . It is noted here that the illustrated figures are not to scale, and certain aspects or features may be exaggerated for clarity of explanation. For example, the clearance distance between the surface 114 and the first stator element 102, or the clearance distance between the second surface 118 (or the protrusion 128) and the second stator element 118, or both, is to facilitate viewing of FIG. Has been expanded.

また、動作において、シール要素１４０（及び全体としては圧力バランスシール１１０）のシール面１１６上の流体圧力は、一般に、シール要素１４０に作用する、環状空洞１０６内の流体圧力よりも低い。結果的に生じる垂直抗力は、シール要素１４０を径方向内側に仕向け、軸方向に移動可能なピストン（図には記載せず）にシール要素を押し付ける。このような垂直抗力は、シール要素１４０と、シール面１１６に接合しているピストンとの摩擦を大きくする。   Also, in operation, the fluid pressure on the seal surface 116 of the seal element 140 (and generally the pressure balance seal 110) is generally lower than the fluid pressure in the annular cavity 106 acting on the seal element 140. The resulting normal drag forces the sealing element 140 radially inward and presses the sealing element against an axially movable piston (not shown). Such normal drag increases the friction between the sealing element 140 and the piston joined to the sealing surface 116.

次に、図３を参照すると、本発明の一態様を実施する、図１の圧力バランスシール１１０のシール要素１４０の部分図が示されている。シール要素１４０は、図１に記載された第１ステータ要素１０２と第２ステータ要素１０４の間の環状間隙１０６（図１）の中に位置するように構成される。動作において、シール要素１３０，１４０とステータ（第１ステータ要素１０２及び第２ステータ要素１０４を含む）との間で、環状間隙１０６内に高い圧力が存在する（又は発生する）。この高い圧力は、圧力バランスシール１１０のステータ境界面とステータの間の領域内の流体（例えば、蒸気又は空気）によって生成される。シール面１１６は、通常、比較的圧力の低い流体を受けるため、圧力バランスシール上に最終的な垂直抗力（ネット（net）垂直抗力）が生じる。この垂直抗力は、圧力バランスシール１１０に対して径方向内側に作用して、圧力バランスシール１１０とピストンの間の摩擦を大きくする。本発明の有利な態様によれば、摩擦低減機構１２０は、シール面１１６に、流体を受け入れる空隙１２０を含み、これにより、シール要素１４０に作用する垂直抗力が、空隙１２０内の流体の圧力によって平衡化される。図３に示すようなより具体的な実施形態において、空隙１２０は、シール要素１３０，１４０のいずれか一方のシール面１１６上に閉じた溝を含み、この溝は、図３のシール要素１４０のシール面１１６内に、開始点１２１及びその開始点１２１と同様の終了点（図示せず）を含む。すなわち、溝１２０は、分割シール要素、例えば、図１の分割シール要素１３０及び１４０にまたがって連続してはいない。従って、動作において、溝１２０は、開口部（穴又は切り欠き）を除いて閉じている（又はほぼ閉じている）空隙を、ピストン面と協働してシール面１１６に画定する。開口部は、開示する実施形態によって有利に配設されるものであるが、これについては後で説明する。異なる表現を用いると、空隙１２０は、シール面１１６の連続した境界に取り囲まれている。シール面１２０に沿って空隙１２０を取り囲む連続した境界は、動作中、開示する実施形態によって有利に配設される開口部（例えば、切り欠き）を除いて、ピストン面と接触している。   Referring now to FIG. 3, a partial view of the sealing element 140 of the pressure balance seal 110 of FIG. 1 implementing an aspect of the present invention is shown. The sealing element 140 is configured to be located in the annular gap 106 (FIG. 1) between the first stator element 102 and the second stator element 104 described in FIG. In operation, high pressure exists (or is generated) in the annular gap 106 between the sealing elements 130, 140 and the stator (including the first stator element 102 and the second stator element 104). This high pressure is generated by the fluid (eg, steam or air) in the region between the stator interface of the pressure balance seal 110 and the stator. Since the seal surface 116 typically receives a relatively low pressure fluid, a final normal force (net normal force) is created on the pressure balance seal. This normal force acts radially inward with respect to the pressure balance seal 110 and increases the friction between the pressure balance seal 110 and the piston. In accordance with an advantageous aspect of the present invention, the friction reduction mechanism 120 includes a fluid receiving void 120 at the sealing surface 116 so that the normal drag acting on the sealing element 140 is due to the pressure of the fluid within the void 120. Equilibrated. In a more specific embodiment as shown in FIG. 3, the gap 120 includes a closed groove on the seal surface 116 of either seal element 130, 140, which groove of the seal element 140 of FIG. 3. The seal surface 116 includes a start point 121 and an end point (not shown) similar to the start point 121. That is, the groove 120 is not continuous across split seal elements, such as the split seal elements 130 and 140 of FIG. Accordingly, in operation, the groove 120 defines a closed (or substantially closed) void in the seal surface 116 in cooperation with the piston surface except for an opening (hole or notch). The openings are advantageously arranged according to the disclosed embodiments, which will be described later. Using a different representation, the gap 120 is surrounded by a continuous boundary of the sealing surface 116. A continuous boundary surrounding the gap 120 along the sealing surface 120 is in contact with the piston surface during operation, except for openings (eg, notches) that are advantageously disposed according to the disclosed embodiments.

図３に図示した実施形態において、摩擦低減機構１２０は、穴１２２とも称される貫通穴を更に含み、この穴１２２は、シール面１１６の空隙１２０から、圧力バランスシール１１０のステータ境界面である複数の表面のうちの少なくとも一つまで延びる。穴１２２は、シール／ピストン境界面、例えば、シール面１１６に、高圧領域と溝１２０の間の経路を提供する。一実施形態に係る動作において、前述したように、穴１２２を除き、溝１２０は、シール面１１６に近接した位置のピストンと協働して、シール面１１６に実質的に閉じた空隙を提供する。   In the embodiment illustrated in FIG. 3, the friction reduction mechanism 120 further includes a through hole, also referred to as a hole 122, from the air gap 120 in the seal surface 116 to the stator interface of the pressure balance seal 110. Extends to at least one of the plurality of surfaces. Hole 122 provides a path between the high pressure region and groove 120 at the seal / piston interface, eg, seal surface 116. In operation according to one embodiment, as described above, except for the hole 122, the groove 120 cooperates with the piston in a position proximate to the seal surface 116 to provide a substantially closed void in the seal surface 116. .

図３に記載した実施形態において、穴１２２は、シール面１１６上の摩擦低減機構１２０の空隙からシール要素１４０の背面１２４まで延びる。摩擦低減機構１２０は、これ以外の場合には密封される、背面１２４近くの高圧流体が、シール面１１６に隣接した低圧領域、具体的には、空隙１２０まで移動できるようにする。その結果、シール面１１６に隣接した領域の圧力が上昇し、シール要素１４０に対して径方向外側に作用する力が生じるため、シール要素１４０に作用する最終的な垂直抗力が小さくなる（又は平衡化される）。シール面１４０上の最終的な垂直抗力の低減により、シール要素１４０とピストンとの摩擦が小さくなる。図５に、一実施形態に係る穴１２２が背面１２４に貫通して穴５００として顕現した状態を示す。他の実施形態によれば、穴１２２は、空隙１２０と第２表面１１８の間に延び、第２表面１１８上に穴５０４として顕現する。更に他の実施形態において、穴１２２は、面取り部１２６まで貫通し、穴５０２として顕現する。本明細書において、穴１２２は、圧力バランスシール１１０に近接した、圧力の異なる領域間に経路を提供するように機能するものであり、このため、穴１２２は、図３及び図５に記載した貫通穴構造に限定されないことは理解されよう。また、理解されるであろうが、本明細書において、「平衡化する」という用語は、反対（逆）方向に力を印加することにより、圧力バランスシール１１０の最終的な力が低下することを意味し、（特に明記しない限り）最終的な力がゼロになるような、完全な均衡状態、又は力の無効化を必ずしも含意するものではない。   In the embodiment described in FIG. 3, the hole 122 extends from the air gap of the friction reduction mechanism 120 on the seal surface 116 to the back surface 124 of the seal element 140. The friction reduction mechanism 120 allows the high pressure fluid near the back surface 124 that would otherwise be sealed to move to a low pressure region adjacent to the seal surface 116, specifically the air gap 120. As a result, the pressure in the area adjacent to the seal surface 116 increases and a force is exerted radially outward on the seal element 140, so that the final normal force acting on the seal element 140 is reduced (or balanced). ). The reduction of the final normal force on the sealing surface 140 reduces the friction between the sealing element 140 and the piston. FIG. 5 shows a state in which the hole 122 according to one embodiment is exposed as a hole 500 through the back surface 124. According to another embodiment, the hole 122 extends between the gap 120 and the second surface 118 and manifests as a hole 504 on the second surface 118. In yet another embodiment, the hole 122 penetrates to the chamfer 126 and manifests as a hole 502. As used herein, the hole 122 serves to provide a path between different regions of pressure proximate to the pressure balance seal 110, and thus the hole 122 is described in FIGS. 3 and 5. It will be understood that the present invention is not limited to the through hole structure. Also, as will be understood, the term “equilibrium” is used herein to reduce the ultimate force of the pressure balance seal 110 by applying a force in the opposite (reverse) direction. Does not necessarily imply a perfect equilibrium, or force invalidation, so that the final force is zero (unless otherwise stated).

図４に、本発明の他の態様を実施するシール要素４００の部分図を示す。シール要素４００は、いくつか他の特徴に加え、特に、シール面４０６と、第１表面４０４、第２表面４０８、及び背面４１４を有するステータ境界面とを含む。シール要素４００は、シール要素４００のシール面４０６に空隙４１０（例えば、溝）を提供する摩擦低減機構４１０も含む。溝４１０は、シール要素４００のシール面４０６内に開始点４１１及び終了点（図示せず）を含む。摩擦低減機構４１０は、シール要素４００に近接した高圧領域と低圧領域の間に流体の漏れ経路を提供する、少なくとも一つの切り欠き４１２を含む。具体的には、図４に、シール面４０６近くの領域及び第２表面４０８近くの領域を含む、他の場合には実質的に密封される少なくとも２つの領域間の漏れ経路を提供する切り欠き４１２が示されている。各種の実施形態によれば、切り欠き４１２は、シール要素４００の表面に形成されるチャンネルである。図示した実施形態において、切り欠き４１２は、シール要素４００のシール面４０６に形成されて、第２表面４０８からシール面４０６への流体の経路を形成するチャンネルである。切り欠き４１２を含む摩擦低減機構４１０により、第２表面４０８近くの高圧流体は、シール面４０６、具体的には空隙４１０に隣接した低圧領域まで移動できる。その結果、シール面４０６に隣接した領域の圧力が上昇して、シール要素４００に対して径方向外側に作用する力が生じるため、シール要素４００に作用する最終的な垂直抗力が低減される。シール要素４００の最終的な垂直抗力の低減により、シール要素４００と、軸方向に移動可能なピストンとの摩擦が小さくなる。前述したように、切り欠き４１２を除いて、溝４１０は、動作において、シール面４０６に近接して位置するピストンと協働して、シール面４０６に実質的に閉じた空隙を提供する。   FIG. 4 shows a partial view of a sealing element 400 embodying another aspect of the present invention. Seal element 400 includes, among other things, a seal surface 406 and a stator interface having a first surface 404, a second surface 408, and a back surface 414, among other features. The sealing element 400 also includes a friction reduction mechanism 410 that provides a gap 410 (eg, a groove) in the sealing surface 406 of the sealing element 400. The groove 410 includes a start point 411 and an end point (not shown) in the seal surface 406 of the seal element 400. The friction reduction mechanism 410 includes at least one notch 412 that provides a fluid leakage path between a high pressure region and a low pressure region proximate the sealing element 400. Specifically, FIG. 4 illustrates a cutout that provides a leakage path between at least two regions that are otherwise substantially sealed, including a region near the sealing surface 406 and a region near the second surface 408. 412 is shown. According to various embodiments, the notch 412 is a channel formed in the surface of the sealing element 400. In the illustrated embodiment, the notch 412 is a channel formed in the sealing surface 406 of the sealing element 400 to form a fluid path from the second surface 408 to the sealing surface 406. The friction reducing mechanism 410 including the notch 412 allows high pressure fluid near the second surface 408 to move to the sealing surface 406, specifically to the low pressure region adjacent to the gap 410. As a result, the pressure in the region adjacent to the seal surface 406 increases and a force acting radially outward on the seal element 400 is generated, thereby reducing the final normal drag acting on the seal element 400. The reduction in the final normal force of the sealing element 400 reduces the friction between the sealing element 400 and the axially movable piston. As described above, with the exception of the notch 412, the groove 410 cooperates with a piston located proximate to the seal surface 406 to provide a substantially closed void in the seal surface 406.

図３及び図４に基づいて説明した摩擦低減機構は、高圧領域と、シール要素１４０（又は４００）近くの低圧領域の間の圧力の動的平衡を維持することによって、圧力補正構造を物理的に維持する。また、シール要素１４０の周方向全体に、シール要素１４０の中央平面を通る図３の穴１２２と同様の複数の径方向貫通穴を利用することで、環状間隙１０６内の高圧領域と、シール面１１６上の低圧領域との間の漏れ経路において平均圧力を交換できる。同様に、シール要素１４０の周方向全体に、図４の切り欠き４１２のような複数の切り欠きを利用することで、環状間隙１０６内の高圧領域と、シール面４０６上の低圧領域の間の漏れ経路において平均圧力を交換できる。更に、必要に応じて、所定のシール要素と共に、切り欠き及び穴を一緒に利用しても良い。   The friction reduction mechanism described with reference to FIGS. 3 and 4 physically maintains the pressure compensation structure by maintaining a dynamic equilibrium of pressure between the high pressure region and the low pressure region near the seal element 140 (or 400). To maintain. Further, by utilizing a plurality of radial through holes similar to the hole 122 of FIG. 3 passing through the central plane of the seal element 140 in the entire circumferential direction of the seal element 140, the high pressure region in the annular gap 106 and the seal surface The average pressure can be exchanged in the leakage path to and from the low pressure region on 116. Similarly, by utilizing a plurality of cutouts, such as cutout 412 in FIG. The average pressure can be exchanged in the leak path. Furthermore, notches and holes may be utilized together with predetermined sealing elements as required.

再び図２及び図３を参照して説明すると、面取り部１２６は、軸方向における圧力バランスシール１１０の向上した圧力バランスを有利に提供する。第１表面１１４は第１ステータ要素１０２と結合して、二次シール面を形成する。動作において、第１表面１１４の両端に、径方向内側に向かう上流側圧力から下流側圧力への圧力低下が存在する。面取り部１２６は、第１表面１１４の径方向長さを短縮して、より低い圧力に曝される第１表面１１６の領域を小さくする役割を担う。図示したように、面取り部１２６の存在により、例えば、軸方向における圧力バランスシール（すなわちピストンリング）１１０の向上した圧力バランスが達成されるため、第１ステータ要素１０２に向かってピストンリング１１０の第１表面１１４を押しやる力が低減される。ピストンリング１１０の軸方向圧力バランスのこのような向上は、第１表面１１４上の径方向の摩擦力を低減し、ピストンリング１４０が、径方向において、例えば、環状空洞１０６内で比較的自由に移動することを可能にする。ピストンリング１１０の径方向移動に対する抵抗の低下は、動的動作状況において、シール面１１６に作用する力を低減し、このことは、間接的にピストンリング１１０の摩擦性能を改善する。   Referring again to FIGS. 2 and 3, the chamfer 126 advantageously provides an improved pressure balance of the pressure balance seal 110 in the axial direction. The first surface 114 combines with the first stator element 102 to form a secondary seal surface. In operation, there is a pressure drop from the upstream pressure toward the radially inner side to the downstream pressure at both ends of the first surface 114. The chamfered portion 126 serves to shorten the radial length of the first surface 114 and reduce the area of the first surface 116 that is exposed to lower pressure. As shown, the presence of the chamfer 126 achieves an improved pressure balance of the pressure balance seal (ie, piston ring) 110 in the axial direction, for example, so that the piston ring 110 The force pushing the one surface 114 is reduced. Such an improvement in the axial pressure balance of the piston ring 110 reduces the radial frictional force on the first surface 114, and the piston ring 140 is relatively free in the annular cavity 106 in the radial direction, for example. Makes it possible to move. The reduction in resistance to radial movement of the piston ring 110 reduces the force acting on the sealing surface 116 in dynamic operating situations, which indirectly improves the friction performance of the piston ring 110.

前述したように、圧力バランスシール１１０，４００の動作モードには各種のものが存在し、上記に提示した説明に適合する複数のシナリオが存在するが、これらは、当業者が容易に思い付くものであり、本発明の範囲及び精神に包含される。このような動作モードは複数の利点を提供する。例えば、図４に例示した分割ピストンリング設計の利用は、ロータの水平取り付けを可能にする。具体的には、２つの半片から成るピストンリング設計を利用することによって、据え置き型のガスタービン及び蒸気タービンの用途でのロータの組み立てを実現できる。２つのピストンリング半片の間の漏れを最小化するために、重畳した設計が考慮される。２つのシール半片の回転を防ぐ追加の機構も提案される。提案するピストンリングの概念は、ピストンリング内の圧力均衡を達成することによって、ピストンリングとピストン表面の間に生じる摩擦力を低減するというものである。非接触端面シールにおける二次シールとして機能し得るリング内の摩擦力を低減することで、一次シールの動的応答が向上する。   As described above, there are various modes of operation of the pressure balance seals 110 and 400, and there are a plurality of scenarios that fit the explanation presented above. These are easily conceived by those skilled in the art. And within the scope and spirit of the present invention. Such an operating mode provides several advantages. For example, the use of the split piston ring design illustrated in FIG. 4 allows for horizontal mounting of the rotor. Specifically, the assembly of the rotor in stationary gas turbine and steam turbine applications can be realized by utilizing a piston ring design consisting of two halves. In order to minimize leakage between the two piston ring halves, a superimposed design is considered. Additional mechanisms are also proposed to prevent rotation of the two seal halves. The proposed piston ring concept is to reduce the friction force generated between the piston ring and the piston surface by achieving a pressure balance in the piston ring. By reducing the frictional force in the ring that can function as a secondary seal in a non-contact end face seal, the dynamic response of the primary seal is improved.

本明細書に記載した説明は、いくつかの例を利用して、最良の形態を含む本発明を開示し、当業者が本発明を実現及び利用できるようにするものである。本発明の特許範囲は、請求項によって定義され、また、当業者が想到する他の例を包含し得る。このような他の例は、その例が、請求項の文言通りの内容と相違しない構造要素を有する場合、又は、請求項の文言通りの内容とほとんど相違しない等価の構造要素を有する場合、請求項の範囲内に入ることが意図される。   The description provided herein uses several examples to disclose the invention, including the best mode, and also to enable any person skilled in the art to make and use the invention. The patentable scope of the invention is defined by the claims, and may include other examples that occur to those skilled in the art. Such other examples may be claimed if the examples have structural elements that do not differ from the literal content of the claims, or if they have equivalent structural elements that do not differ significantly from the literal content of the claims. It is intended to fall within the scope of the paragraph.

特に別段の定義がない限り、本明細書で用いる技術用語及び科学用語は、本発明が属する分野の当業者に一般に理解されているとおりの意味を有する。本明細書で用いた「第１」、「第２」などの用語は、何らかの順序、数量、又は重要性を表すものではなく、むしろ、一つの要素と別の要素とを区別するために用いられたものである。「一つの」という表現は、数量を限定するものではなく、むしろ、参照する要素が少なくとも一つ存在することを意味するものであり、「前」、「後」、「底」、若しくは「上」、又はこれら全ての用語は、特に指定がない限り、単に説明の便宜上使用しただけであり、特定の一つの位置、又は空間的方位を限定しない。範囲が開示されている場合、同一の構成要素又は特性に対する範囲はすべて終点を包含することに加え、独立して組み合わせることができる（例えば、「最大で約２５重量％まで、より具体的には、約５重量％から約２０重量％」の範囲は、その終点、及び約５重量％から約２５重量％の範囲内の全ての中間値を包含する等）。数量に関して用いられる「約」という修飾語は、言及した値を含むと共に、内容によって求められるとおりの意味を有する（例えば、特定の測定品質に対応付けられた誤差の程度を包含する）。   Unless defined otherwise, technical and scientific terms used herein have the meanings commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. As used herein, terms such as “first”, “second” do not represent any order, quantity, or importance, but rather are used to distinguish one element from another. It is what was done. The expression “one” does not limit the quantity, but rather means that there is at least one referenced element, “front”, “back”, “bottom”, or “top”. ”, Or all these terms, unless otherwise specified, are merely used for convenience of description and do not limit a particular position or spatial orientation. Where ranges are disclosed, all ranges for the same component or characteristic may be combined independently in addition to including the endpoints (eg, “up to about 25% by weight, more specifically, , About 5% to about 20% by weight includes the end point and all intermediate values within the range of about 5% to about 25% by weight, etc.). The modifier “about” used with respect to quantity includes the stated value and has the meaning required by the content (eg, including the degree of error associated with a particular measurement quality).

１００ シールアセンブリ
１０２ 第１ステータ要素
１０４ 第２ステータ要素
１０６ １０２及び１０４の間の環状間隙
１０８ 回転防止機構又はリテーナスロット
１１０ 圧力バランスシール又はピストンリング
１１２ 重複部
１１４ 第１ステータ要素と接合する第１表面
１１６ ピストンが移動するための内側円筒空洞容積に面するシール面
１１８ 第２ステータ要素と接合する第２表面
１２０ 摩擦低減機構−１１６の空隙又は溝
１２１ 溝１２０の開始点（終了点）
１２２ 貫通穴又は穴
１２４ シール面１１６の反対側にある背面
１２６ １１４の端縁と１２４とで形成される外形輪郭−面取り部
１２８ シール要素１４０の第２表面１１８に沿った突出部
１３０ 第１シール要素
１４０ 第２シール要素
１５０ 面取り部１２６の表面に作用する力
１５２ 背面１２４に作用する力
１５４ 突出部１２８に作用する径方向外側の力
１６０ 軸方向
１７０ 径方向
４００ 第２実施形態の圧力バランスシール要素
４０２ 重複部
４０４ 第１表面
４０６ シール面
４０８ 第２表面
４１０ ４０６の溝
４１１ 溝４１０の開始点（終了点）
４１２ 切り欠き
４１４ 背面
４１６ 面取り部
４１８ シール要素４００の第２表面４０８に沿った突出部
５００ 背面１２４に顕現する空隙１２０からの貫通穴
５０２ 面取り部１２６に顕現する空隙１２０からの貫通穴
５０４ 第２表面１１８に顕現する空隙１２０からの貫通穴 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Seal assembly 102 1st stator element 104 2nd stator element 106 Annular gap between 102 and 104 108 Anti-rotation mechanism or retainer slot 110 Pressure balance seal or piston ring 112 Overlapping part 114 1st surface which joins 1st stator element 116 Sealing surface facing inner cylindrical cavity volume for piston movement 118 Second surface joined to second stator element 120 Air gap or groove of friction reduction mechanism 116 121 Starting point (end point) of groove 120
122 Through-hole or hole 124 Outline 126 formed by the edge of the back surface 126 114 opposite to the seal surface 116 and 124 128 Protrusion along the second surface 118 of the seal element 140 130 First seal Element 140 Second seal element 150 Force acting on the surface of the chamfered portion 126 152 Force acting on the back surface 154 Radial outer force acting on the projecting portion 128 160 Axial direction 170 Radial direction 400 Pressure balance seal of the second embodiment Element 402 Overlap 404 First surface 406 Seal surface 408 Second surface 410 Groove 411 411 Starting point (end point) of groove 410
412 Notch 414 Back surface 416 Chamfered portion 418 Projection portion along second surface 408 of seal element 400 500 Through hole from gap 120 appearing on back surface 124 502 Through hole from gap 120 appearing in chamfered portion 126 504 Second Through hole from gap 120 appearing on surface 118

Claims (10)

第１ステータ要素（１０２）及び第２ステータ要素（１０４）を含むステータの環状空洞（１０６）内に配置される圧力バランスシール（１１０）であって、
径方向内側に面するシール面（１１６）と、
前記ステータと接合する少なくとも一つの表面を含むステータ境界面と、
前記シール面（１１６）上の空隙を含む摩擦低減機構（１２０）とを含み、
前記空隙は、前記ステータ境界面の少なくとも一部分に隣接する少なくとも一つの高圧領域から、前記シール面（１１６）に隣接する少なくとも一つの低圧領域に流体が移動できる、前記シール面（１１６）に沿った溝（１２０）として構成され、前記圧力バランスシール（１１０）に作用する垂直抗力が、前記流体の圧力によって生成される力で平衡化されることで、前記圧力バランスシール（１１０）と、軸方向に移動するピストン（１６０）との間の摩擦を低減する、圧力バランスシール。 A pressure balance seal (110) disposed within an annular cavity (106) of the stator including a first stator element (102) and a second stator element (104),
A sealing surface (116) facing radially inward;
A stator interface including at least one surface joined to the stator;
A friction reduction mechanism (120) including a gap on the sealing surface (116),
The air gap is along the sealing surface (116) that allows fluid to move from at least one high pressure region adjacent at least a portion of the stator interface to at least one low pressure region adjacent to the sealing surface (116). The vertical drag configured as a groove (120) and acting on the pressure balance seal (110) is balanced with the force generated by the pressure of the fluid, thereby causing the pressure balance seal (110) and the axial direction to be balanced. A pressure balance seal that reduces friction between the piston (160) moving in the air. 前記摩擦低減機構（１２０）は、前記ピストンリングを通って延びて、前記少なくとも一つの高圧領域から前記シール面（１１６）に近接した領域に流体を供給する少なくとも一つの貫通穴（１２２）を更に含み、前記貫通穴は、前記溝（１２０）と、前記ステータ境界面の背面（１２４）、第２表面（１１８）、及び面取り部（１２６）のうちの少なくとも一つとの間に延びる、請求項１に記載の圧力バランスシール。   The friction reduction mechanism (120) further includes at least one through hole (122) extending through the piston ring to supply fluid from the at least one high pressure region to a region proximate to the sealing surface (116). The through-hole extends between the groove (120) and at least one of a back surface (124), a second surface (118), and a chamfer (126) of the stator interface. The pressure balance seal according to 1. 前記摩擦低減機構（１２０／４１０）は、前記シール面（１１６／４０６）から第２表面（４０８）まで延びる少なくとも一つの切り欠き（４１２）を含む、請求項１に記載の圧力バランスシール。   The pressure balance seal of any preceding claim, wherein the friction reduction mechanism (120/410) includes at least one notch (412) extending from the seal surface (116/406) to a second surface (408). 前記圧力バランスシール（１１０）の第１表面（１１４）の端縁及び背面（１２４）に形成される面取り部（１２６）を更に含み、前記面取り部（１２６）は、前記圧力バランスシール（１１０）が捩じれる可能性を低減するように構成される、請求項１に記載の圧力バランスシール。   The pressure balance seal (110) further includes a chamfered portion (126) formed on an edge of the first surface (114) and a back surface (124), and the chamfered portion (126) includes the pressure balance seal (110). The pressure balance seal of claim 1, wherein the pressure balance seal is configured to reduce the likelihood of twisting. 第２表面（１１８）と垂直に延びる突出部（１２８）を更に含み、前記突出部（１２８）は、前記圧力バランスシール（１１０）が捩じれる可能性を低減するように構成される、請求項１に記載の圧力バランスシール。   The protrusion (128) extending perpendicular to the second surface (118), wherein the protrusion (128) is configured to reduce the likelihood of the pressure balance seal (110) being twisted. The pressure balance seal according to 1. 少なくとも１箇所で分割される全円リング、すなわち多区画リングを含む、請求項１に記載の圧力バランスシール。   2. The pressure balance seal according to claim 1, comprising a full circle ring, i.e. a multi-compartment ring, divided at at least one location. 前記多区画リングは、予め策定された重複部（１１２）により、半片の第２シール要素（１４０）の上に延びる、半片の第１シール要素（１３０）を含む、請求項６に記載の圧力バランスシール。   The pressure of claim 6, wherein the multi-compartment ring includes a half-piece first seal element (130) that extends over a half-piece second seal element (140) by a pre-defined overlap (112). Balance seal. 前記第１ステータ要素（１０２）と前記第２ステータ要素（１０４）の間の前記環状間隙（１０６）に対する前記圧力バランスシールの相対回転を阻止するように構成される、少なくとも一つの回転防止機構を更に含み、前記少なくとも一つの回転防止機構は、リテーナスロット（１０８）、及び前記ステータから突出するリテーナを含むことで、前記ステータに対する前記多区画リングの回転を防止する、請求項６に記載の圧力バランスシール。   At least one anti-rotation mechanism configured to prevent relative rotation of the pressure balance seal relative to the annular gap (106) between the first stator element (102) and the second stator element (104); The pressure of claim 6, further comprising: the at least one anti-rotation mechanism includes a retainer slot (108) and a retainer protruding from the stator to prevent rotation of the multi-compartment ring relative to the stator. Balance seal. 前記空隙（１２０）は、前記シール面（１１６）に沿った連続境界によって囲まれ、前記連続境界は、前記空隙（１２０）を包囲して、動作中、少なくとも部分的に前記ピストンに接触するように構成される、請求項１に記載の圧力バランスシール。   The air gap (120) is surrounded by a continuous boundary along the sealing surface (116), which surrounds the air gap (120) so as to at least partially contact the piston during operation. The pressure balance seal according to claim 1, which is configured as follows. 前記圧力バランスシール（１１０）は、タービン内の非接触端面シールアセンブリ（１００）のピストンリングを含む、請求項１に記載の圧力バランスシール。   The pressure balance seal of any preceding claim, wherein the pressure balance seal (110) comprises a piston ring of a non-contact end face seal assembly (100) in a turbine.
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